一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器
本发明涉及机器人与机器人化自动装置领域，尤其涉及面向加工的柔性机械臂振动控制的，具体涉及一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器。
背景技术：
1、在传统自动化工业生产中，工业机器人的机械手臂通常采用刚性设计标准，旨在减小运动误差和机械振动，确保机构稳定运行。然而，传统刚性机械手臂存在质量大、速度低、能耗高、灵活性差等问题，已无法满足当今高效生产的需求。随着科技的进步，新一代机器人技术提出了轻量化、高速度、低能耗、接触冲击小的要求，因此机械臂逐渐采用柔性轻质材料，并设计成细长的结构。柔性机械臂系统在按照规划路径运动时,由于刚性不足,会引起小变形弹性振动,如果再受到外界干扰,弹性形变增大只会导致振动越发严重。柔性机械臂振动问题成为制约柔性机械臂实现高速度和高精度目标的主要障碍,所以如何抑制柔性机械臂在运动过程中产生的振动是一个迫切需要解决的难题。
2、在自动化设备中，长期受到机械振动的影响会导致设备零部件的疲劳损坏，进而缩短设备的使用寿命。并且对于需要高精度操作的加工工艺，机械振动也会影响设备的稳定性和精度，导致工作效率的下降。研究表明，振动问题主要是由于机械结构的阻尼不足引起的。作为对策，各种增加机械系统阻尼的阻尼器被发明出来，其中最具代表的是动力吸振器。动力吸振器由附加质量与弹簧以及阻尼组成，属于抑制共振的被动式制振器。因为其小型轻量以及较好的制振功能被广泛应用于机械设备中。但动力吸振器的工作频带较窄，当吸振器偏离最优频带时制振效果较弱，则针对某一模态的动力吸振器对多模态宽频的振动影响较小，另外因为动力吸振器本身的固有频率，振动频率接近固有频率时会产生共振现象，导致减振效果减弱，甚至恶化。针对以上缺陷，仅增加机构阻尼的黏滞阻尼器开始被应用于制振需求。
3、黏滞阻尼器作为一种用于减少机械振动的重要装置，在工程领域备受关注。首先，黏滞阻尼器的基本工作原理是通过引入阻尼和质量但不附加刚度元件来改变振动系统的动力学特性，从而实现振动能量的吸收和抑制。合理设计的黏滞阻尼器能够显著降低机械系统的振动幅度，提高系统的稳定性和可靠性。而且黏滞阻尼器还可以应用于能量回收和噪声控制等方面。其具有循环利用振动能量、降低环境噪声的潜力，为节能减排和环境保护提供了新的途径。总体而言，耗能减振通过提高系统阻尼抑制系统振动，相较于动力吸振方式，其抑振效果受目标模态动力学参数变化的影响较小，并且较宽的工作频带能在被控对象被轻微扰动下仍产生抑振效果，实现在宽频段内的减振。另外，不附加刚度元件可避免系统振动频率接近固有频率而产生的共振现象。因此黏滞阻尼器的研究不仅有助于提高机械系统的性能和稳定性，还具有广阔的应用前景，将在工程领域发挥重要作用。
4、最初设计的黏滞阻尼器应用于水平方向运动装置以及旋转装置中，因此不需要增加刚度元件就可以拥有较宽的工作频带。但对于重力方向上运动的被控对象，如进行垂直运动的柔性机械臂，黏滞阻尼器因为没有刚度元件对质量模块进行支撑，则会导致该阻尼器无法正常工作，限制了黏滞阻尼器的应用场景。若简单的使用弹簧作为质量模块的支撑元件，该阻尼器则会具有固有频率，会产生共振频率，并不再满足宽频段的制振。鉴于此，本发明提出了一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，可以将阻尼引入垂直运动的被控对象中，进而实现宽频段的抑振功能，增加柔性机械臂的工作效率。并设计了具有高静刚度低动刚度的准零刚度机构，在静止时为质量模块提供稳定的支撑力；该机构较低的动刚度可在一定的运动范围内抵消质量模块的重力影响，使黏滞阻尼器可以实现被控对象重力方向上抑振功能。因此，附加准零刚度机构可以拓展黏滞阻尼器的应用场景，扩大应用范围，有效抑制重力方向上被控对象的宽频段振动。另外，为增加该阻尼器的普适性，使其可以应用于不同模态振型，本发明对质量模块以及连杆实现了模块化的设计，可以根据不同的振型，改变不同的质量与杆长，方便了实验人员分析不同阻尼器参数下的抑振效果，减少物料及人工成本。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，公开了一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，将质量与阻尼引入被控对象中，进一步抑制加工过程中产生的宽频段振动，提高工作效率与稳定性。质量模块与连杆采用模块化的设计，可根据所需的黏滞阻尼器参数安装相应的质量及尺寸，方便该阻尼器应用于不同的模态振型；准零刚度机构可为垂直方向运动的黏滞阻尼器质量模块提供稳定支撑力，并在一定运动范围内抵消重力影响，使质量模块以无刚度的状态工作，保证该阻尼器能正常抑制宽频段的振动。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、本发明提出一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于它包括阻尼部件、准零刚度部件以及装夹部件，其中：
4、阻尼部件作为黏滞阻尼器的重要部件，应用黏滞阻尼原理，质量模块在壳体构成的密闭空间中运动产生阻尼力来抑制被控主体的振动，是黏滞阻尼器的基本功能模块。阻尼部件由质量模块与外壳组件组成；质量模块主要包括质量基座(3)与若干个附加质量(2)；质量基座(3)与附加质量(2)有用于精装配的通孔，通过螺栓可将所需的质量组合固连为整体；质量基座(3)上设计有与准零刚度部件连接的螺纹孔；外壳主要包括上外壳(1)、基座(14)、垫圈(13)以及密封圈(12)；基座(14)设计有密封圈(12)卡槽用来放置密封圈(12)；垫圈(13)则是夹持在上外壳(1)与基座(14)之间；利用螺栓将上外壳(1)、垫圈(13)以及基座(14)固连。
5、准零刚度部件用于质量模块的支撑，并能通过正负刚度弹簧的结合，使质量模块在振动时所受刚度可以忽略不计。准零刚度部件由上连接块(4)、滑动套筒(5)、导杆(10)、连杆组件(7)、连接销(9)、下连接块(11)、水平拉伸弹簧(8)以及垂直压缩弹簧(6)组成；上连接块(4)依据定位面与质量基座(3)固连；滑动套筒(5)通过过盈配合嵌入上连接块(4)中，并在导杆(10)上形成移动副；连杆组件(7)通过螺栓与上连接块(4)之间构成转动副；连杆组件(7)之间则通过连接销(9)构成转动副；连杆组件(7)与下连接块(11)通过螺栓构成转动副；下连接块(11)依据定位面与基座(14)固连；连杆组件(7)也通过定位面与下连接块(11)螺纹连接固连；垂直压缩弹簧(6)套在导杆(10)上，水平拉伸弹簧(8)则通过挂钩嵌入连接销(9)的沟槽中，两个水平弹簧对称分布在连杆组件(7)两侧。连杆组件(7)主要包括上连杆(7-a)与下连杆(7-b)，通过螺栓将两个零件固连。
6、装夹部件主要作用是将黏滞阻尼器与被控对象固定在一起。装夹部件主要是由基座(14)与夹片(16)构成，通过外壳的基座(14)通孔的螺栓与夹片(16)上的螺纹孔连接；被控对象(15)通过定位面嵌入夹片(16)凹槽中，夹紧于基座(14)与夹片(16)之间。
7、所述的一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于：黏滞阻尼器是由外壳组件、质量模块以及介质组成。在上外壳(1)与质量模块中质量基座(3)之间留有一定的径向间隙，该间隙由所需阻尼确定，且附加质量(2)不会影响阻尼大小。当黏滞阻尼器随被控对象(15)一起振动时，质量模块会沿轴向运动，迫使该处介质通着径向间隙流动，在这个过程中由于介质具有黏性，因此会提供一个阻尼力，该力会阻碍质量模块的轴向运动且会将质量模块动能的一部分转化为热能耗散，从而耗散振动能量，起到抑振的效果；基座(14)设计有止口与上外壳(1)内侧设计为过盈配合，起到定位作用保证上外壳(1)内侧与基座(14)的同轴度的同时，能防止黏滞阻尼器内部介质的泄露；根据受内部压力作用下，密封圈(12)的外径与基座(14)上的沟槽配合，在内侧保留有空隙；基座(14)与上外壳(1)的过盈配合，密封圈(12)与垫片(13)的使用，共同构成了黏滞阻尼器内部的封闭空间，能有效防止内部介质泄露，从而保证黏滞阻尼器能长时间有效工作。
8、所述的一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于：质量模块采用模块化设计，在质量基座(3)的基础上增加所需的附加质量(2)；质量基座(3)上设计有凸台，对应附加质量(2)上设计有凹槽，这种止口定位可以保证装配的精确，确保质量模块重心在黏滞阻尼器中心轴线上运动，从而避免因重心偏移产生弯矩，影响黏滞阻尼器的减振效果甚至损坏其他部件；质量基座(3)设计有与准零刚度部件连接的螺纹孔，并保证与质量模块的同轴度；基座(14)设计有与准零刚度部件连接的螺纹孔，并保证与凸台的同轴度。
9、所述的一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于：准零刚度部件基于准零刚度结构原理，通过水平拉伸弹簧(8)产生负刚度，垂直压缩弹簧(6)提供正刚度，由正负刚度元件并联以及连杆组件(7)结构产生满足准零刚度部件高静低动的特性；准零刚度部件中四个等长的连杆组件(7)构成菱形结构，在质量模块脱离平衡位置时，连杆组件(7)给予质量模块的力在一定的运动范围内抵消质量模块的重力影响，使黏滞阻尼器可以实现被控对象重力方向上抑振功能；准零刚度部件采用模块化设计，连杆组件(7)由上连杆(7-a)与下连杆(7-b)构成，两者通过定位面构成移动副，通过螺栓将两者固连在一起，构成不同杆长下的准零刚度机构，从而满足黏滞阻尼器不同工作行程范围的需求。
10、本发明的技术方案有益效果在于：
11、(1)本发明利用黏滞阻尼原理设计了一种黏滞阻尼器，介质流过质量模块与上外壳之间的径向间隙产生相应的阻尼，对加工振动抑振效果明显。耗能减振通过提高系统阻尼抑制系统振动，相较于常用的动力吸振方式，其抑振效果受目标模态动力学参数变化的影响较小，并且较宽的工作频带能在被控对象被轻微扰动下仍产生抑振效果，实现在宽频段内的减振；
12、(2)本发明通过准零刚度部件可以将黏滞阻尼器应用于重力方向上被控对象的振动抑制，可以对黏滞阻尼器的质量模块进行稳定支撑的同时，可在一定的运动范围内抵消质量模块的重力影响，使黏滞阻尼器可以实现被控对象重力方向上宽频段抑振功能，避免产生影响抑振效果的共振现象；
13、(3)本发明采用模块化的设计原则，各自集成为独立模块，便于安装和搬运。并通过附加质量可以实现不同阻尼参数下对抑振效果影响的研究，并满足不同尺寸间隙下的安装和抑振需求。以及改变准零刚度机构连杆组件长度可实现不同工作行程范围。并依靠有着高精度的定位面，保证装置中各部件的安装精度。该黏滞阻尼器三层密封结构可有效防止内部介质的泄露，保证结构小巧紧凑的同时，可以长时间进行有效可靠的抑制被控对象的振动；
14、(4)本发明中通过将黏滞阻尼器与准零刚度机构结合，进一步拓宽了传统动力吸振器的减振频段以及消除了单一黏滞阻尼器的使用场景限制，同时对质量模块以及连杆组件进行模块化设计，可应用于不同振动工况下的被控对象。对面向加工的柔性机械臂的减振有着重要意义。
技术特征：
1.一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于它包括阻尼部件、准零刚度部件以及装夹部件，其中：
2.根据权利要求1所述的一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于：黏滞阻尼器是由外壳组件、质量模块以及介质组成。在上外壳(1)与质量模块中质量基座(3)之间留有一定的径向间隙，该间隙由所需阻尼确定，且附加质量(2)不会影响阻尼大小。当黏滞阻尼器随被控对象(15)一起振动时，质量模块会沿轴向运动，迫使该处介质通着径向间隙流动，在这个过程中由于介质具有黏性，因此会提供一个阻尼力，该力会阻碍质量模块的轴向运动且会将质量模块动能的一部分转化为热能耗散，从而耗散振动能量，起到抑振的效果；基座(14)设计有止口与上外壳(1)内侧设计为过盈配合，起到定位作用保证上外壳(1)内侧与基座(14)的同轴度的同时，能防止黏滞阻尼器内部介质的泄露；根据受内部压力作用下，密封圈(12)的外径与基座(14)上的沟槽配合，在内侧保留有空隙；基座(14)与上外壳(1)的过盈配合，密封圈(12)与垫片(13)的使用，共同构成了黏滞阻尼器内部的封闭空间，能有效防止内部介质泄露，从而保证黏滞阻尼器能长时间有效工作。
3.根据权利要求1所述的一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于：质量模块采用模块化设计，在质量基座(3)的基础上增加所需的附加质量(2)；质量基座(3)上设计有凸台，对应附加质量(2)上设计有凹槽，这种止口定位可以保证装配的精确，确保质量模块重心在黏滞阻尼器中心轴线上运动，从而避免因重心偏移产生弯矩，影响黏滞阻尼器的减振效果甚至损坏其他部件；质量基座(3)设计有与准零刚度部件连接的螺纹孔，并保证与质量模块的同轴度；基座(14)设计有与准零刚度部件连接的螺纹孔，并保证与凸台的同轴度。
4.根据权利要求1所述的一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，其特征在于：准零刚度部件基于准零刚度结构原理，通过水平拉伸弹簧(8)产生负刚度，垂直压缩弹簧(6)提供正刚度，由正负刚度元件并联以及连杆组件(7)结构产生满足准零刚度部件高静低动的特性；准零刚度部件中四个等长的连杆组件(7)构成菱形结构，在质量模块脱离平衡位置时，连杆组件(7)给予质量模块的力在一定的运动范围内抵消质量模块的重力影响，使黏滞阻尼器可以实现被控对象重力方向上抑振功能；准零刚度部件采用模块化设计，连杆组件(7)由上连杆(7-a)与下连杆(7-b)构成，两者通过定位面构成移动副，通过螺栓将两者固连在一起，构成不同杆长下的准零刚度机构，从而满足黏滞阻尼器不同工作行程范围的需求。
技术总结
本发明公开了一种基于准零刚度机构的黏滞阻尼器，涉及面向加工的柔性机械臂振动控制的技术领域。该装置通过将质量与阻尼引入被控对象中，进一步抑制加工过程中被控对象产生的宽频振动，提高工作效率与稳定性。质量模块与连杆组件采用模块化的设计，可根据所需的黏滞阻尼器参数安装相应的质量及尺寸，方便该阻尼器应用于不同的模态振型；准零刚度机构可为垂直方向运动的黏滞阻尼器质量块提供稳定支撑力，并在一定运动范围内抵消重力影响，保证该阻尼器能正常抑制宽频段的振动，拓宽了传统动力吸振器的减振频段并消除了单一黏滞阻尼器的使用场景限制。
技术研发人员：高志慧,张义,赵乙泽,边宇枢
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23